De sonde van een atomic force microscope (AFM) scant een oppervlak om details te onthullen met een resolutie van 1, 000 keer groter dan die van een optische microscoop. Dat maakt de AFM de belangrijkste tool voor het analyseren van fysieke kenmerken, maar het kan wetenschappers niets vertellen over scheikunde. Daarvoor wenden ze zich tot de massaspectrometer (MS).

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben deze hoeksteencapaciteiten gecombineerd in één instrument dat een monster in drie dimensies kan onderzoeken en informatie over de topografie van het oppervlak kan overlappen, het mechanische gedrag op atomaire schaal nabij het oppervlak, en de chemie op en onder het oppervlak. Deze multimodale beeldvorming stelt wetenschappers in staat om dunne films van fasegescheiden polymeren te onderzoeken die belangrijk zijn voor energieconversie en -opslag. Hun resultaten zijn gepubliceerd in ACS Nano , een tijdschrift van de American Chemical Society.

"Het combineren van de twee mogelijkheden brengt het beste van twee werelden samen, " zei projectleider Olga Ovchinnikova, die samen met Gary Van Berkel de studie leidde, hoofd van ORNL's Organische en Biologische Massaspectrometrie Groep. "Voor dezelfde locatie u krijgt niet alleen een nauwkeurige locatie en fysieke karakterisering, maar ook precieze chemische informatie."

Van Berkel toegevoegd, "Dit is de eerste keer dat we hebben aangetoond dat je meerdere methoden kunt gebruiken via de atoomkrachtmicroscoop. We hebben voor het eerst aangetoond dat je verschillende datasets samen kunt verzamelen zonder van sondes te wisselen en zonder het monster te veranderen."

De nieuwe techniek voor functionele beeldvorming maakt het mogelijk om regio's in de orde van miljardsten meters te onderzoeken, of nanometers, om de heuvels en valleien van een monster te karakteriseren, zijn elasticiteit (of "veerkracht") in diepere lagen, en zijn chemische samenstelling. Eerder, AFM-tips konden slechts 20 nanometer doordringen om het vermogen van een stof om uit te zetten en te krimpen te onderzoeken. Door een thermische desorptiesonde aan de mix toe te voegen, konden wetenschappers dieper, omdat de techniek materie van het oppervlak kookt en het tot 140 nanometer diep verwijdert. De nauwkeurige chemische analyse van verbindingen door de MS gaf de nieuwe techniek een ongekend vermogen om monsters te karakteriseren.

"We zijn nu in staat om ondergrondse structuren te zien waar we voorheen blind voor waren, met behulp van standaardtechnieken, ' zei Ovchinnikova.

Vroeger, wetenschappers maten fysische en chemische eigenschappen op verschillende instrumenten die gegevens op verschillende resolutieschalen weergaven. De breedte van een pixel aan AFM-gegevens kan 10 nanometer zijn, terwijl de breedte van een pixel aan MS-gegevens 10 micron zou kunnen zijn - duizend keer groter.

"De resolutie van de chemische identificatie was veel slechter, " Ovchinnikova benadrukte. "Je zou afbeeldingen van verschillende technieken nemen en proberen ze op een rij te zetten en een versmolten afbeelding te creëren. Omdat de pixelgroottes zo verschillend zouden zijn, uitlijnen zou moeilijk zijn."

De ORNL-innovatie loste dat probleem op. "Omdat we nu één opstelling gebruiken, de pixelgroottes lijken erg op elkaar. U kunt een pixel lokaliseren en deze correleren met een andere pixel in de afbeelding, " zei Ovchinnikova. Nu kunnen wetenschappers perfect gegevens over elkaar leggen, net zoals digitale camera's foutloos kleinere foto's aan elkaar naaien om een ​​panoramisch beeld te creëren.

Uitgelijnde analyses

Er was een team voor nodig om de topografieën te karakteriseren, nanomechanica en chemie van fasegescheiden domeinen en de interfaces daartussen. De wetenschappers testten hun gecombineerde AFM/MS-platform door een dunne film van fasegescheiden polymeer te onderzoeken. Vera Bocharova, van de Soft Materials Group, maakte een film van 500 nanometer dik met polymeren die zich in een zee van polystyreen in eilanden van poly-2-vinylpyridine scheidden. Vilmos Kertesz ontwikkelde software om analysemogelijkheden te koppelen, en Van Berkel, Ovchinnikova en Tamin Tai hebben het experiment opgezet en gegevens verzameld en verwerkt. Mahmut Okatán, Alex Belianinov en Stephen Jesse van het Center for Nanophase Materials Sciences hebben apparatuur opgezet om mechanische eigenschappen op atomaire schaal te onderzoeken.

Anasys-instrumenten, een ontwikkelaar van thermische sondes, leende de onderzoekers een aangepast AFM-instrument voor het experiment. Het bedrijf bezit intellectueel eigendom van sondepunten en gelicentieerde ORNL-technologie die verwarmde AFM-sondes gebruikt om materie van het oppervlak te verwijderen en het vervolgens te transporteren en te ioniseren voor massaspectrometrische analyse.

Anasys ontving onlangs een fase-2 Small Business Innovation Research-subsidie ​​van DOE om atoomkrachtmicroscopie en massaspectrometrie te koppelen in een commercieel product. Een dergelijk apparaat zou multimodale beeldvorming uit het verheven rijk van nationale laboratoria en in de grotere wetenschappelijke gemeenschap brengen. Ovchinnikova stelt zich voor dat bedrijven de technologie gebruiken om fundamentele vragen over productprestaties te beantwoorden. Als een polymeermengsel - in een rubberen band of plastic fles - niet werkt, waarom gaat het mis? In een stressgebied, hoe veranderen nanomechanische eigenschappen? Wat is de exacte chemische samenstelling op storingspunten?

"Dit is iets dat de AFM op zichzelf nooit zou kunnen zien. Het zou alleen verschillen in mechanica kunnen zien, maar het zou je nooit echt de exacte chemie op een locatie kunnen vertellen, ' zei Ovchinnikova.

De ORNL-onderzoekers staan ​​te popelen om wetenschappelijke uitdagingen te onderzoeken die niet konden worden aangepakt vóór de komst van chemische kartering met hoge resolutie. Bijvoorbeeld, een beter begrip van de structuur en eigenschappen van materialen op zonne-energie kan verbeteringen in hun efficiëntie versnellen.

Volgende, om multimodale beeldvorming nog krachtiger te maken, de onderzoekers overwegen thermische desorptie-massaspectrometrie - een destructieve techniek die materie van een oppervlak kookt om de chemische analyse mogelijk te maken - te koppelen aan optische spectroscopie, een niet-destructieve techniek.